Cykl azotowy w przyrodzie. Właściwości azotu

Rodzaj lekcji -łączny

Metody: częściowo przeszukiwanie, prezentacja problemu, reprodukcja, objaśnianie i ilustracja.

Cel:

Świadomość wagi wszystkich poruszanych zagadnień, umiejętność budowania relacji z przyrodą i społeczeństwem w oparciu o szacunek dla życia, dla wszystkich istot żywych jako wyjątkowej i nieocenionej części biosfery;

Zadania:

Edukacyjny: pokazać wielość czynników działających na organizmy w przyrodzie, względność pojęcia „czynniki szkodliwe i pożyteczne”, różnorodność życia na planecie Ziemia oraz możliwości adaptacji istot żywych do całego spektrum warunków środowiskowych.

Edukacyjny: rozwijać umiejętności komunikacyjne, umiejętność samodzielnego zdobywania wiedzy i stymulowania aktywności poznawczej; umiejętność analizowania informacji, podkreślania najważniejszej rzeczy w badanym materiale.

Edukacyjny:

Kultywowanie kultury postępowania w przyrodzie, cech tolerancyjnej osobowości, zaszczepianie zainteresowania i miłości do żywej przyrody, kształtowanie stabilnego pozytywnego stosunku do każdego żywego organizmu na Ziemi, rozwijanie umiejętności dostrzegania piękna.

Osobisty: zainteresowania poznawcze ekologią. Rozumienie konieczności zdobywania wiedzy o różnorodności powiązań biotycznych w zbiorowiskach przyrodniczych dla ochrony naturalnych biocenoz. Umiejętność wyboru celów i znaczenia swoich działań i działań w odniesieniu do żywej przyrody. Potrzeba sprawiedliwej oceny pracy własnej i kolegów

Kognitywny: umiejętność pracy z różnymi źródłami informacji, przekształcania jej z jednej formy w drugą, porównywania i analizowania informacji, wyciągania wniosków, przygotowywania komunikatów i prezentacji.

Przepisy: umiejętność organizacji samodzielnej realizacji zadań, oceny prawidłowości pracy i refleksji nad swoimi działaniami.

Komunikacja: uczestniczyć w dialogu na zajęciach; odpowiadać na pytania nauczyciela, kolegów, przemawiać przed publicznością przy użyciu sprzętu multimedialnego lub innych środków demonstracji

Planowane wyniki

Temat: znać pojęcia „siedlisko”, „ekologia”, „czynniki ekologiczne”, ich wpływ na organizmy żywe, „powiązania między istotami żywymi i nieożywionymi”; Potrafić zdefiniować pojęcie „czynników biotycznych”; scharakteryzuj czynniki biotyczne, podaj przykłady.

Osobisty: oceniaj, wyszukuj i selekcjonuj informacje, analizuj powiązania, porównuj, znajdź odpowiedź na problematyczne pytanie

Metatemat: powiązania z takimi dyscyplinami akademickimi jak biologia, chemia, fizyka, geografia. Planuj działania z wyznaczonym celem; znaleźć niezbędne informacje w podręczniku i literaturze przedmiotu; przeprowadzać analizę obiektów naturalnych; wyciągać wnioski; formułuj własne zdanie.

Forma organizacji zajęć edukacyjnych - indywidualny, grupowy

Metody nauczania: wizualno-ilustracyjna, wyjaśniająco-ilustracyjna, częściowo oparta na poszukiwaniach, samodzielna praca z dodatkową literaturą i podręcznikiem, z COR.

Techniki: analiza, synteza, wnioskowanie, tłumaczenie informacji z jednego typu na inny, uogólnianie.

Nauka nowego materiału

Cykl azotowy

Cykl azotowy jest przykładem cyklu samoregulującego z dużym funduszem rezerwowym w atmosferze. Powietrze, składające się w 78% z azotu, jest największym „zbiornikiem” i jednocześnie, ze względu na swoją niską aktywność chemiczną, „zaworem bezpieczeństwa” układu. Azot jest stale uwalniany do atmosfery w wyniku działania bakterii denitryfikacyjnych i jest stale usuwany z atmosfery w wyniku działania bakterii wiążących azot i niektórych glonów (biochemiczne wiązanie azotu), a także działania wyładowań elektrycznych podczas burze. Cykl azotu składa się z następujących procesów: wiązania, asymilacji, nitryfikacji, denitryfikacji, rozkładu, ługowania, usuwania, wytrącania itp.

Cykl azotu w biosferze jest bardzo wyjątkowy i powolny. Wiązanie azotu w materii żywej odbywa się przez ograniczoną liczbę żywych istot. Pojedyncze mikroorganizmy występujące w glebie i górnych warstwach Oceanu Światowego potrafią rozkładać azot cząsteczkowy (N2) i wykorzystywać jego atomy do budowy grup aminowych białek (-1NH) i innych związków organicznych. Azot atmosferyczny jest wchłaniany przez bakterie wiążące azot i niektóre rodzaje sinic. Syntetyzują azotany, które stają się dostępne do wykorzystania przez inne rośliny w biosferze. Biofiksację azotu przeprowadzają niektóre bakterie w symbiozie z roślinami wyższymi w glebie (na przykład bakterie brodawkowe żyjące na korzeniach roślin strączkowych). Po ich śmierci rośliny i zwierzęta zwracają azot do gleby, skąd przedostaje się on do nowych pokoleń roślin i zwierząt.

Pewna część azotu w postaci cząsteczek powraca do atmosfery. W glebach zachodzi proces nitryfikacji, który składa się z łańcucha reakcji, gdy przy udziale mikroorganizmów następuje utlenianie jonu amonowego (IN^) do azotynu (N02”) lub azotynu do azotanu (IO3-). azotynów i azotanów do gazowego związku azotu cząsteczkowego (N2) lub tlenków azotu (IxOy) stanowią istotę procesu denitryfikacji.

Izotopy

Naturalny azot składa się z dwóch stabilnych izotopów 14 N - 99,635% i 15 N - 0,365%.

Znane są radioaktywne izotopy azotu o liczbach masowych 11,12,13,16 i 17. Wszystkie są izotopami bardzo krótkotrwałymi. Najbardziej stabilny z nich, 13 N, ma okres półtrwania wynoszący 10 minut.

Moment magnetyczny jąder izotopowych I N 14 =1, ja N 15 =1/2.

Rozpowszechnienie

Poza Ziemią azot (jego związki i rodniki - CN, NH, NH` 2, NH 3) występuje w mgławicach gazowych, atmosferze słonecznej, na Uranie, Neptunie i przestrzeni międzygwiazdowej. W atmosferze Wenus zarejestrowano około 2% azotu, ale liczba ta wymaga jeszcze potwierdzenia. Azot jest czwartym pod względem liczebności pierwiastkiem w Układzie Słonecznym (po wodorze, helu i tlenie). Życie wiele zawdzięcza azotowi, ale azot, przynajmniej azot atmosferyczny, swoje pochodzenie zawdzięcza nie tyle Słońcu, ile procesom życiowym.

Większość azotu występuje w przyrodzie w stanie wolnym. Azot w postaci dwuatomowych cząsteczek N2 stanowi większość atmosfery, której zawartość wynosi 75,6% (masowo) lub 78,084% (objętościowo), czyli około 3,87 * 10 15 ton. Ogólnie rzecz biorąc, żyjemy w atmosferze azotu umiarkowanie wzbogaconej w tlen.

Masa azotu rozpuszczonego w hydrosferze, biorąc pod uwagę, że jednocześnie zachodzą procesy rozpuszczania azotu atmosferycznego w wodzie i uwalniania go do atmosfery, wynosi około 2 * 10 13 ton, dodatkowo około 7 * 10 11 ton azotu zawarte w hydrosferze w postaci związków.

Rola biologiczna

Azot jest pierwiastkiem niezbędnym do istnienia zwierząt i roślin. Jest częścią białek (16-18% masy), aminokwasów, kwasów nukleinowych, nukleoprotein, chlorofilu, hemoglobiny itp. w składzie żywych komórek według liczby atomów azotu - około 2%, ułamka masowego - około 2,5% (czwarte miejsce po wodorze, węglu i tlenie). Pod tym względem znaczna ilość związanego azotu zawarta jest w organizmach żywych, „martwej materii organicznej” i rozproszonej materii mórz i oceanów. Ilość tę szacuje się na około 1,9 * 10 11 ton. W wyniku procesów rozkładu i rozkładu materii organicznej zawierającej azot, pod wpływem sprzyjających czynników środowiskowych, mogą powstawać naturalne złoża minerałów zawierających azot, np. „saletra chilijska” (azotan sodu z domieszkami innych związków), Saletra norweska, indyjska.

Cykl azotowy w przyrodzie

Azot jest bezbarwnym, bezwonnym gazem i jest słabo rozpuszczalny w wodzie. Jest nieco lżejszy od powietrza: masa jednego litra azotu wynosi 1,25 g. Azot cząsteczkowy jest substancją chemicznie nieaktywną. W temperaturze pokojowej oddziałuje tylko z litem. Niską aktywność azotu tłumaczy się dużą wytrzymałością jego cząsteczek, która determinuje wysoką energię aktywacji reakcji zachodzących z udziałem azotu.

Całkowita zawartość azotu w skorupie ziemskiej wynosi 0,04% (mas.). Azot stanowi około 79% atmosfery, ale ogromna liczba żywych istot nie jest w stanie bezpośrednio wykorzystać tego zapasu azotu. Najpierw muszą zostać utrwalone przez wyspecjalizowane organizmy lub ludzi – w tym drugim przypadku utrwalanie odbywa się przy użyciu specjalnie zaprojektowanych procesów przemysłowych.

Pomimo największej złożoności cykl ten przebiega szybko i sprawnie. Powietrze zawierające 78% azotu jest jednocześnie ogromnym zbiornikiem i zaworem bezpieczeństwa systemu. W sposób ciągły i w różnych formach zasila cykl azotowy.

Cykl azotowy przebiega następująco. Jego główną rolą jest to, że jest częścią ważnych struktur organizmu - aminokwasów białkowych, a także kwasów nukleinowych. Organizmy żywe zawierają około 3% całkowitego funduszu aktywnego azotu. Rośliny zużywają około 1% azotu; jego czas cyklu wynosi 100 lat.

Z zakładów produkcyjnych do konsumentów trafiają związki zawierające azot, z których po wyeliminowaniu amin ze związków organicznych uwalniany jest azot w postaci amoniaku lub mocznika, który następnie również mocznik przekształca się w amoniak (w wyniku hydrolizy).

Ryż. 1. Przemiana i wykorzystanie CO 2 w przyrodzie

Następnie w procesach utleniania azotu amonowego (nitryfikacja) powstają azotany, które mogą być przyswajane przez korzenie roślin. Podczas denitryfikacji część azotynów i azotanów ulega redukcji do azotu cząsteczkowego przedostającego się do atmosfery. Wszystkie te przemiany chemiczne są możliwe w wyniku żywotnej aktywności mikroorganizmów glebowych. Te niesamowite bakterie - wiążące azot - potrafią wykorzystać energię swojego oddychania do bezpośredniego wchłaniania azotu atmosferycznego i syntezy białek. W ten sposób do gleby wprowadza się rocznie około 25 kg azotu na 1 hektar.

Ale najskuteczniejsze bakterie żyją w symbiozie z roślinami strączkowymi w guzkach rozwijających się na korzeniach roślin. W obecności molibdenu, który służy jako katalizator, oraz specjalnej formy hemoglobiny (unikalnej dla roślin), bakterie te ( Ryzob) asymilują ogromne ilości azotu. Powstały (związany) azot stale dyfunduje do ryzosfery (części gleby) w miarę rozpadu guzków. Ale azot przedostaje się również do nadziemnych części roślin. Dzięki temu rośliny strączkowe są wyjątkowo bogate w białko i bardzo pożywne dla roślinożerców. Roczna rezerwa zgromadzona w ten sposób w uprawach koniczyny i lucerny wynosi 150-140 kg/ha.

Oprócz roślin strączkowych takie bakterie żyją na liściach roślin (w tropikach) z rodziny Rublowate, a także promieniowce - na korzeniach olchy, wiążące azot. W środowisku wodnym są to algi błękitne.

Z kolei bakterie denitryfikacyjne rozkładają azotany i uwalniają N2, który odparowuje do atmosfery. Ale proces ten nie jest bardzo niebezpieczny, ponieważ rozkłada około 20% całkowitego azotu i to tylko na glebach silnie nawożonych obornikiem (około 50-60 kg azotu na hektar).

Choć ludzie i zwierzęta lądowe żyją na dnie oceanu powietrza, składającego się głównie z azotu, to właśnie ten pierwiastek w największym stopniu determinuje zaopatrzenie w żywność mieszkańców tego oceanu. Wszyscy jesteśmy zależni od dostępnych zasobów stałego azotu. „Stały” to azot zawarty w związku chemicznym, który może być wykorzystany przez rośliny i zwierzęta. Azot nie jest aktywny w atmosferze, ale niektóre organizmy mogą go nadal wiązać. W naturalnych procesach jonizacji mniejsza ilość azotu atmosferycznego jest wiązana. Atmosfera jest jonizowana przez promienie kosmiczne, płonące meteoryty i wyładowania elektryczne (błyskawice) w krótkim czasie, uwalniając dużą ilość energii niezbędnej, aby azot mógł zareagować z tlenem lub wodorem w wodzie. Nawet niektóre organizmy morskie wiążą azot, ale najwyraźniej największymi dostawcami związanego azotu w przyrodzie są mikroorganizmy glebowe i symbiotyczne stowarzyszenia między takimi organizmami i roślinami.

Wiązanie azotu atmosferycznego w przyrodzie zachodzi w dwóch głównych kierunkach - abiogennym i biogennym. Pierwsza droga obejmuje głównie reakcje azotu z tlenem. Ponieważ azot jest chemicznie bardzo obojętny, do utleniania potrzebne są duże ilości energii (wysokie temperatury). Warunki te osiągane są podczas wyładowań atmosferycznych, gdy temperatura osiąga 25 000 o C i więcej. W tym przypadku dochodzi do powstawania różnych tlenków azotu. Istnieje również możliwość, że wiązanie abiotyczne zachodzi w wyniku reakcji fotokatalitycznych na powierzchni półprzewodników lub dielektryków szerokopasmowych (piasek pustynny).

Jednakże główna część azotu cząsteczkowego (około 1,4 * 10 8 t/rok) jest związana biogenicznie. Przez długi czas uważano, że tylko niewielka liczba gatunków mikroorganizmów (aczkolwiek szeroko rozpowszechnionych na powierzchni Ziemi) może wiązać azot cząsteczkowy: bakterie Azotobakter I Clostridium, bakterie brodawkowe roślin strączkowych Ryzob, cyjanobakteria Anabaena, Nostoc itp. Obecnie wiadomo, że tę zdolność posiada wiele innych organizmów żyjących w wodzie i glebie, np. promieniowce w bulwach olchy i innych drzew (w sumie 160 gatunków). Wszystkie przekształcają azot cząsteczkowy w związki amonowe (NH 4 +). Proces ten wymaga znacznych nakładów energii (do związania 1 g azotu atmosferycznego bakterie znajdujące się w guzkach roślin strączkowych zużywają około 167,5 kJ, czyli utleniają około 10 g glukozy). Widoczna jest więc obopólna korzyść z symbiozy roślin i bakterii wiążących azot - te pierwsze zapewniają tym drugim „miejsce do życia” i dostarczają „paliwa” uzyskanego w wyniku fotosyntezy – glukozy, te drugie dostarczają azotu niezbędne dla roślin w postaci, którą mogą wchłonąć.

Spośród wszystkich rodzajów ingerencji człowieka w naturalny cykl substancji, przemysłowe wiązanie azotu ma największą skalę. W dawnych czasach, gdy nie prowadzono masowej produkcji nawozów sztucznych, gdy na dużych obszarach nie uprawiano jeszcze roślin strączkowych wiążących azot, ilość azotu usuwanego z atmosfery w procesie naturalnego wiązania była całkowicie równoważona przez jego powrót do atmosfery w wyniku działania organizmów przekształcających azotany organiczne w azot gazowy. Azot w postaci amoniaku i związków amonowych powstający w procesie biogennego wiązania azotu ulega szybkiemu utlenieniu do azotanów i azotynów (proces ten nazywany jest nitryfikacją). Te ostatnie, niepołączone tkankami roślinnymi (a dalej w łańcuchu pokarmowym przez roślinożerców i drapieżniki), nie pozostają długo w glebie. Większość azotanów i azotynów jest wysoce rozpuszczalna, dlatego są zmywane przez wodę i ostatecznie trafiają do oceanów świata (przepływ ten szacuje się na 2,5 - 8 * 10 7 ton / rok).

Nadmierne usuwanie związków azotu do rzek może spowodować zakwity glonów, a w wyniku wzmożonej aktywności biologicznej woda może zostać pozbawiona tlenu, co spowoduje śmierć ryb i innych organizmów wymagających tlenu. Najbardziej znanym tego przykładem jest szybka eutrofizacja jeziora Erie.

Azot zawarty w tkankach roślin i zwierząt po ich śmierci ulega amonifikacji (rozkładowi złożonych związków zawierających azot z wydzieleniem amoniaku i jonów amonowych) oraz denitryfikacji, czyli uwolnieniu azotu atomowego i jego tlenków . Procesy te zachodzą całkowicie pod wpływem aktywności mikroorganizmów w warunkach tlenowych i beztlenowych.

Aby mieć pojęcie o skomplikowanych rozgałęzionych szlakach przemieszczania się azotu w biosferze, prześledźmy drogę atomów azotu z atmosfery do komórek mikroorganizmów, następnie do gleby w postaci związanego azotu i z gleby do wyższych rośliny, skąd związany azot może przedostać się do organizmów zwierzęcych. Rośliny i zwierzęta obumierając oddają związany azot do gleby, skąd albo przedostaje się on do nowych pokoleń roślin i zwierząt, albo przedostaje się do atmosfery w postaci azotu elementarnego.

Dla niektórych organizmów korzystne jest utlenianie związków azotu, podczas gdy inne organizmy żyjące w tym samym środowisku przeżywają tylko dzięki zdolności do redukcji tych związków. Oprócz organizmów fotosyntetyzujących wykorzystujących energię świetlną, wszystkie istoty żywe pozyskują energię poprzez przemiany chemiczne. Zwykle jest to utlenianie jednego związku z jednoczesną redukcją drugiego, chociaż czasami mogą zostać utlenione i zredukowane różne cząsteczki tej samej substancji lub nawet różne fragmenty tej samej cząsteczki. Obieg azotu w przyrodzie żywej jest możliwy, ponieważ utlenianie zredukowanych nieorganicznych związków azotu przez tlen atmosferyczny uwalnia energię w biologicznie efektywnej formie. W warunkach beztlenowych utlenione związki azotu mogą służyć jako utleniacze związków organicznych, uwalniając użyteczną energię.

Specyficzna rola azotu w procesach biologicznych wynika z niezwykle dużej liczby stopni utlenienia, czyli wartościowości. Wartościowość- jest to właściwość atomu danego pierwiastka polegająca na przyłączaniu lub zastępowaniu określonej liczby atomów innego pierwiastka. W organizmie zwierząt i roślin większość azotu występuje w postaci jonów amonowych lub w postaci związków aminowych. W obu postaciach azot jest silnie zredukowany: łącząc się z trzema innymi atomami, przyjął od nich trzy elektrony, czyli ma stopień utlenienia -3. W innej silnie utlenionej formie (jon azotanowy (NO 3 +5) pięć zewnętrznych elektronów atomu azotu uczestniczy w tworzeniu wiązań z atomem tlenu, uzyskując w ten sposób stopień utlenienia +5. Jon azotanowy jest główną formą w jaki azot jest obecny w glebie Kiedy jon amonowy lub aminokwasy przedostają się do azotanów glebowych, wartościowość azotu musi zmienić się o 8 jednostek, czyli atom traci 8 elektronów. Kiedy azot azotanowy przechodzi do azotu grupy aminowej , atom zyskuje 8 elektronów.

Nieorganiczne związki azotu nie występują w przyrodzie w dużych ilościach, z wyjątkiem azotanu sodu NaNO 3, który tworzy grube warstwy na wybrzeżu Pacyfiku w Chile. Gleba zawiera niewielkie ilości azotu, głównie w postaci soli kwasu azotowego. Ale w postaci złożonych związków organicznych - białek - azot jest częścią wszystkich żywych organizmów. Transformacje, jakim ulegają białka w komórkach roślinnych i zwierzęcych, stanowią podstawę wszystkich procesów życiowych. Bez białka nie ma życia, a ponieważ azot jest niezbędnym składnikiem białka, jasne jest, jak ważną rolę odgrywa ten pierwiastek w żywej przyrodzie.

Ogólnie rzecz biorąc, reakcje zachodzące w glebie, które redukują azot, dostarczają znacznie więcej energii niż reakcje utleniania, które usuwają elektrony z atomów azotu. Podsumowując, można powiedzieć, że w przyrodzie każda reakcja, w której podczas przemiany jednego związku w inny powstaje co najmniej 15 kcal/mol, służy jako źródło energii dla określonego organizmu lub grupy organizmów.

Wiązanie azotu wymaga energii. Po pierwsze, azot musi zostać „aktywowany”, to znaczy cząsteczka azotu musi zostać rozbita na dwa atomy. To zajmie co najmniej 160 kcal/mol. Samo wiązanie, czyli połączenie dwóch atomów azotu z trzema cząsteczkami wodoru w celu utworzenia dwóch cząsteczek amoniaku daje około 13 kcal. Oznacza to, że w sumie na reakcję zużywa się co najmniej 147 kcal. Nie wiadomo jednak, czy organizmy wiążące azot rzeczywiście muszą zużywać taką ilość energii. Rzeczywiście, w reakcjach katalizowanych przez enzymy nie następuje tylko wymiana energii pomiędzy reagentami i produktami końcowymi, ale spadek energii aktywacji.

Zwierzęta spożywają z pożywieniem białka roślinne, aminokwasy i inne substancje zawierające azot. W ten sposób rośliny udostępniają azot organiczny innym organizmom - konsumentom.

Wszystkie organizmy żywe dostarczają azot do środowiska. Z jednej strony wszystkie w ciągu swojego życia wydzielają produkty przemiany azotu: amoniak (NH 3), mocznik (CO(NH 2) 2) i kwas moczowy. Dwa ostatnie związki rozkładają się w glebie, tworząc amoniak (który po rozpuszczeniu w wodzie wytwarza jony amonowe).

Kwas moczowy wydzielany przez ptaki i gady jest również szybko mineralizowany przez specjalne grupy mikroorganizmów, tworząc NH 3 i CO 2. Natomiast azot wchodzący w skład organizmów żywych po ich śmierci ulega amonifikacji (rozkładowi złożonych związków zawierających azot z wydzieleniem amoniaku i jonów amonowych) oraz nitryfikacji.

Amoniak, czyli jon amonowy wytwarzany w glebie, może być wchłaniany przez korzenie roślin. Azot wchodzi wówczas w skład aminokwasów i staje się częścią białka. Jeśli roślina zostanie następnie zjedzona przez zwierzę, azot zostanie włączony do innych białek. W obu przypadkach białko ostatecznie powraca do gleby, gdzie jest rozkładane na aminokwasy składowe. W warunkach tlenowych gleba zawiera wiele mikroorganizmów, które mogą utleniać aminokwasy do dwutlenku węgla, wody i amoniaku. Na przykład podczas rozkładu glicyna uwalnia 176 kcal/mol.

Niektóre mikroorganizmy z rodzaju Nitrosomonas wykorzystują nitryfikację jonu amonowego jako jedyne źródło energii. W obecności tlenu amoniak wytwarza jon azotynowy i wodę; Wydajność energetyczna tej reakcji wynosi 65 kcal/mol i to w zupełności wystarcza do „przyzwoitego” życia. Nitrosomonas należy do grupy tzw. autotrofów – organizmów, które nie zużywają energii zmagazynowanej w materii organicznej. Fotoautotrofy wykorzystują energię świetlną, a chemoautotrofy podobnie Nitrosomonas, pozyskiwać energię ze związków nieorganicznych.

Kolejna wyspecjalizowana grupa mikroorganizmów, do których zalicza się Nitrobacter, jest w stanie pozyskać energię z azotynów, co zostało zaniedbane Nitrosomonas. Na utlenienie jonu azotynowego do jonu azotanowego uwalnia około 17 kcal/mol - niewiele, ale wystarczająco dużo, aby podtrzymać istnienie Nitrobacter .

W glebie występuje wiele różnych rodzajów bakterii – denitryfikatorów, które w warunkach beztlenowych potrafią wykorzystywać jony azotanowe i azotynowe jako akceptory elektronów podczas utleniania związków organicznych.

Produkty nitryfikacji - NO 3 - i (NO 2 -) poddawane są następnie denitryfikacji. Proces ten zachodzi całkowicie dzięki działaniu bakterii denitryfikacyjnych, które posiadają zdolność redukcji azotanów poprzez azotyny do gazowego podtlenku azotu (N 2 O) i azotu (N 2). Gazy te swobodnie przedostają się do atmosfery.

10 [H] + 2H+ +2NO 3 - = N 2 + 6H 2 O

W przypadku braku tlenu azotan służy jako końcowy akceptor wodoru. Zdolność do pozyskiwania energii poprzez wykorzystanie azotanów jako końcowego akceptora wodoru w celu utworzenia cząsteczki azotu jest powszechna u bakterii. Przejściowe straty azotu w ograniczonych obszarach gleby są niewątpliwie związane z działalnością bakterii denitryfikacyjnych. Zatem obieg azotu nie jest możliwy bez udziału mikroflory glebowej.

Wartość porównawcza jonów amonowych i azotynowych jako źródeł azotu dla roślin była przedmiotem wielu badań. Wydaje się, że jon amonowy jest wyraźnie preferowany: stopień utlenienia azotu w nim wynosi -3, to znaczy taki sam jak stopień utlenienia azotu w aminokwasach; Stopień utlenienia azotu azotanowego wynosi +5. Oznacza to, że aby wykorzystać azot z jonu azotanowego, roślina musi wydać energię na redukcję azotu pięciowartościowego do trójwartościowego. W rzeczywistości wszystko jest bardziej skomplikowane: która forma azotu jest preferowana, zależy, jak się okazuje, od zupełnie innych czynników. Ponieważ jon amonowy jest naładowany dodatnio, niemal natychmiast po utworzeniu się w glebie jest wychwytywany przez cząstki osadu, na których pozostaje aż do utlenienia. Natomiast ujemny jon azotanowy przemieszcza się swobodnie w glebie, przez co łatwiej przedostaje się do strefy korzeniowej.

Do końca XIX wieku organizmy wiążące azot w glebie pozostawały słabo poznane. Naukowcy obawiali się nawet, że odkryte wówczas bakterie denitryfikacyjne stopniowo wyczerpią zapasy związanego azotu w glebie i zmniejszą żyzność. W swoim przemówieniu skierowanym do Towarzystwa Królewskiego w Londynie Sir W. Crookes naszkicował ponury obraz głodu, jaki czeka ludzkość w najbliższej przyszłości, jeśli nie zostaną opracowane sztuczne metody wiązania azotu. Głównym źródłem azotanów zarówno do produkcji nawozów, jak i materiałów wybuchowych były wówczas złoża w Chile. Jest to potrzeba

Po ogólnym zbadaniu cyklu azotowego rola bakterii denitryfikacyjnych stała się jasna. Gdyby takie bakterie nie zwracały azotu do atmosfery, większość azotu atmosferycznego znajdowałaby się obecnie w formie związanej w oceanach i osadach. Obecnie w atmosferze nie ma wystarczającej ilości tlenu, aby przekształcić cały wolny azot w azotany. Jest jednak prawdopodobne, że jednostronny proces przy braku denitryfikatorów doprowadził do zakwaszenia wody oceanicznej azotanami. Ze skał węglanowych zacząłby się wydzielać dwutlenek węgla. Rośliny stale pobierałyby dwutlenek węgla z powietrza, węgiel z czasem odkładałby się w postaci węgla lub innych węglowodorów, a wolny tlen nasycałby atmosferę i łączył się z azotem. Ze względu na różnorodność i złożoność wszystkich tych procesów, trudno powiedzieć, jak wyglądałby świat reakcji denitryfikacji, ale z pewnością byłby to dla nas świat niezwykły.

Proces biologicznego wiązania azotu nie jest szczegółowo poznany. Chciałbym wiedzieć, w jaki sposób enzym aktywujący używany przez bakterie wiążące azot może w normalnej temperaturze i pod normalnym ciśnieniem robić to, co dzieje się w reaktorze chemicznym w temperaturze setek stopni i atmosfer. Na całym świecie zgromadzi się kilka kilogramów tego niesamowitego enzymu.

Organizmy wiążące azot dzielą się na dwie duże grupy: żyjące samodzielnie i żyjące w symbiozie z roślinami wyższymi. Granica między tymi grupami nie jest tak ostra. Stopień współzależności roślin i mikroorganizmów może być różny. Mikroorganizmy symbiotyczne są bezpośrednio zależne od rośliny jako źródła energii i ewentualnie niektórych składników odżywczych. Wolno żyjące wiążącze azotu pozyskują energię z rośliny pośrednio, a niektóre z nich bezpośrednio wykorzystują energię świetlną.

Głównymi dostawcami związanego azotu w glebach zajętych przez zboża oraz w innych ekosystemach, w których nie występują rośliny posiadające symbionty wiążące azot, są różne bakterie. W odpowiednich warunkach sinice mogą być ważnym źródłem związanego azotu. Ich udział w wiązaniu azotu jest szczególnie zauważalny na polach ryżowych i innych miejscach, gdzie warunki sprzyjają ich rozwojowi. Jednak dla całej Ziemi rośliny strączkowe są najważniejszym naturalnym źródłem związanego azotu. Z ekonomicznego punktu widzenia są one ważniejsze niż inne rośliny wiążące azot i dlatego są lepiej zbadane.

Cykl azotowy jest obecnie pod dużym wpływem człowieka. Z jednej strony masowa produkcja nawozów azotowych i ich stosowanie prowadzi do nadmiernego gromadzenia się azotanów. Azot dostarczany na pola w postaci nawozów jest tracony w wyniku odpadów pożniwnych, ługowania i denitryfikacji.

Natomiast gdy zmniejsza się stopień przemiany amoniaku w azotany, w glebie gromadzą się nawozy amonowe. Istnieje możliwość zahamowania aktywności mikroorganizmów na skutek zanieczyszczenia gleby odpadami przemysłowymi. Procesy te mają jednak charakter lokalny. Dużo ważniejsze jest przedostawanie się tlenków azotu do atmosfery podczas spalania paliw w elektrowniach cieplnych, transporcie i fabrykach („lisi ogon” (NO 2)). Na terenach przemysłowych ich stężenie w powietrzu staje się bardzo niebezpieczne. Pod wpływem promieniowania dochodzi do reakcji materii organicznej (węglowodorów) z tlenkami azotu, w wyniku których powstają związki silnie toksyczne i rakotwórcze.

Czynniki wpływające na obieg azotu

W przypadku braku działalności człowieka procesy wiązania azotu i nitryfikacji są prawie całkowicie równoważone przez przeciwne reakcje denitryfikacji. Część azotu przedostaje się do atmosfery z płaszcza podczas erupcji wulkanów, część jest trwale osadzona w glebie i minerałach ilastych, ponadto azot stale przedostaje się z górnych warstw atmosfery do przestrzeni międzyplanetarnej. Jednak obecnie na cykl azotowy wpływa wiele czynników spowodowanych przez człowieka. Pierwszym z nich są kwaśne deszcze, czyli zjawisko, w którym następuje spadek pH opadów atmosferycznych i śniegu na skutek zanieczyszczenia powietrza tlenkami kwasowymi (np. tlenkami azotu). Chemia tego zjawiska jest następująca. W celu spalania paliw kopalnych do silników spalinowych i kotłów dostarcza się powietrze lub mieszaninę paliwa i powietrza. Prawie 4/5 powietrza składa się z azotu i 1/5 z tlenu. Przy wysokich temperaturach powstających wewnątrz instalacji nieuchronnie zachodzi reakcja azotu z tlenem i powstaje tlenek azotu:

N 2 + O 2 = 2NO - Q

Reakcja ta ma charakter endotermiczny i zachodzi w warunkach naturalnych podczas wyładowań atmosferycznych, a także towarzyszy innym podobnym zjawiskom magnetycznym w atmosferze. Obecnie w wyniku naszej działalności człowiek znacznie zwiększa akumulację tlenku azotu (II) na planecie. Tlenek azotu (II) łatwo utlenia się do tlenku azotu (IV) już w normalnych warunkach:

2NO 2 + H 2 O = HNO 3 + HNO 2

powstają kwasy azotowy i azotawy. W kropelkach wody atmosferycznej kwasy te dysocjują, tworząc odpowiednio jony azotanowe i azotynowe, które przedostają się do gleby wraz z kwaśnymi deszczami. Drugą grupą czynników antropogenicznych wpływających na metabolizm azotu w glebie są emisje technologiczne. Tlenki azotu są jedną z najczęstszych substancji zanieczyszczających powietrze. Natomiast stały wzrost produkcji amoniaku, kwasu siarkowego i azotowego wiąże się bezpośrednio ze wzrostem ilości gazów odlotowych, a co za tym idzie, ze wzrostem ilości tlenków azotu emitowanych do atmosfery. Trzecią grupę czynników stanowi nadmierne nawożenie gleb azotynami, azotanami (azotan sodu (NaNO 3), azotan potasu (KNO 3), azotan wapnia (Ca(NO 3) 2), saletra amonowa NH 4 NO 3) oraz nawozy organiczne. Wreszcie, zwiększony poziom zanieczyszczeń biologicznych negatywnie wpływa na metabolizm azotu w glebie. Możliwe przyczyny: odprowadzanie ścieków, nieprzestrzeganie norm sanitarnych (wyprowadzanie psów, niekontrolowane składowiska odpadów organicznych, złe funkcjonowanie kanalizacji itp.). W rezultacie gleba zostaje zanieczyszczona amoniakiem, solami amonowymi, mocznikiem, indolem, merkaptanami i innymi produktami rozkładu organicznego. W glebie powstaje dodatkowy amoniak, który następnie jest przetwarzany przez bakterie na azotany.

Znaczenie badania cyklu azotowego

Pomiędzy litosferą, hydrosferą, atmosferą i organizmami żywymi Ziemi zachodzi ciągła wymiana pierwiastków chemicznych. Proces ten ma charakter cykliczny: po przejściu z jednej sfery do drugiej elementy powracają do swojego pierwotnego stanu.

Biocenozy antropogeniczne to szczególne zbiorowiska naturalne powstałe pod bezpośrednim wpływem człowieka, który sam może tworzyć nowe krajobrazy i poważnie zmieniać równowagę ekologiczną. Ponadto działalność człowieka ma ogromny wpływ na cykl pierwiastków. Stało się to szczególnie widoczne w ostatnim stuleciu, ponieważ nastąpiły poważne zmiany w cyklach naturalnych w wyniku dodania lub usunięcia obecnych w nich substancji chemicznych w wyniku oddziaływania człowieka. Azot jest pierwiastkiem niezbędnym do istnienia zwierząt i roślin, wchodzi w skład białek, aminokwasów, kwasów nukleinowych, chlorofilu, genów itp. Pod tym względem znaczna ilość związanego azotu znajduje się w organizmach żywych, „martwych organach materia” i rozproszona materia mórz i oceanów.

Aby zbadać charakterystykę obiegu azotu, można zastosować kompleksową metodologię badania zawartości jonów azotynowych (NO 2 -), azotanowych (NO 3 -) i amonowych (NH 4 +) w glebie oraz jej parametrów mikrobiologicznych.

Badanie i kontrola obiegu azotu jest bardzo ważne, zwłaszcza w biocenozach antropogenicznych, ponieważ niewielka awaria w którymkolwiek odcinku cyklu może prowadzić do poważnych konsekwencji: poważnego chemicznego zanieczyszczenia gleb, zarastania zbiorników wodnych i ich skażenia produktami rozkładu azotu. martwa materia organiczna (amoniak, aminy itp.), wysoka zawartość rozpuszczalnych związków azotu w wodzie pitnej.

Toksykologia azotu i jego związków

Sam azot atmosferyczny jest na tyle obojętny, że może mieć bezpośredni wpływ na organizm ludzki i ssaki. Jednak przy wysokim ciśnieniu krwi powoduje narkozę, zatrucie lub uduszenie (z powodu braku tlenu); Kiedy ciśnienie gwałtownie spada, azot powoduje chorobę dekompresyjną. Zwierzęta umieszczone w atmosferze azotu szybko umierają, ale nie z powodu toksyczności azotu, ale z powodu braku tlenu.

Wiele związków azotu jest bardzo aktywnych i często toksycznych

Aż 13% azotu zawartego w nawozach mineralnych trafia do wód gruntowych. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) przyjęła maksymalne dopuszczalne stężenie azotanów w wodzie pitnej: 45 mg/l dla umiarkowanych szerokości geograficznych i 10 mg/l dla tropików.

Jednym z najczęściej występujących pierwiastków chemicznych w środowisku jest azot. Ilość azotu w atmosferze jest duża – cztery piąte atmosfery składa się z tego pierwiastka chemicznego. Większość pierwiastka występuje w postaci wolnej, w której dwa atomy tworzą cząsteczkę N2. Ze względu na dość silne wiązanie pomiędzy atomami w cząsteczce, nie ma możliwości bezpośredniego zastosowania takiego związku.

Aby organizmy żywe mogły w pełni przyswoić ten pierwiastek chemiczny, należy go doprowadzić do stanu „związanego”. W tym stanie azot jest naładowanym jonem azotanowym NO3-, w tej postaci może być wchłaniany przez rośliny.

Obieg azotu w przyrodzie nie jest możliwy bez procesu „wiązania”, gdyż to właśnie rozkład cząsteczki N2 umożliwia wspieranie różnych procesów życiowych na naszej planecie.

Charakterystyka azotu

Azot jest bezbarwnym, nietrującym gazem, który występuje głównie w przyrodzie w postaci wolnej (niezwiązanej). To główna część atmosfery - prawie 80% jej powierzchni zajmuje materia molekularna. Azot w swojej postaci molekularnej jest bezużyteczny dla żywej przyrody - jego cząsteczki w normalnych warunkach reagują chemicznie tylko z litem. Jednak znaczenie azotu w naturze biosfery jest trudne do przecenienia. Substancja ta jest integralną częścią każdej, nawet najprostszej cząsteczki białka. Ale białko jest niezbędnym elementem wszystkich żywych organizmów.

Jak przebiega cykl?

Obieg azotu w przyrodzie to w rzeczywistości łańcuch zamkniętych, wzajemnie powiązanych ścieżek, którymi azot krąży w biosferze Ziemi. W naturze głównymi dostawcami tego związanego pierwiastka są różne mikroorganizmy. To dzięki mikroskopijnym pracownikom od 90 do 140 milionów ton jonów azotu przechodzi do stanu niezbędnego dla biosfery.

Obecność azotu w przyrodzie wynika w dużej mierze z działalności bakterii i glonów. Cykl N2 w przyrodzie ma swoje źródło w aktywności różnych mikroorganizmów, które pobierają azot z rozkładających się odpadów. Jedna część pierwiastka przekształca się w cząsteczki niezbędne do istnienia tych mikroorganizmów. Pozostała część jest uwalniana w postaci jonów amonowych i cząsteczek amoniaku. Różne gatunki bakterii przekształcają azot z tych substancji w postać azotanów. Związki azotu w postaci nawozów są pobierane przez rośliny, a za ich pośrednictwem przez zwierzęta. Po śmierci organizmu mikroelement powraca do gleby, aby wznowić obieg azotu w przyrodzie. Schemat przepływu azotu przedstawiono poniżej.

Podczas cyklu N2 może zostać włączony do osadów nieorganicznych lub uwolniony w wyniku działania niektórych bakterii. Ponadto erupcje wulkanów i działanie gejzerów zwiększają udział tej substancji w atmosferze ziemskiej.

Zastosowanie azotu w rolnictwie

Nawożąc glebę związkami azotu w ilości kilograma nawozu na hektar gruntu, można zwiększyć plony zbóż o kilka procent.
W rolnictwie azot usuwa się w postaci roślin uprawnych w ilości 1 mln ton, zużywa się przy tym dwukrotnie mniej nawozów azotowych. Pomimo dużej opłacalności stosowania nawozów mineralnych, zapotrzebowanie roślin na tę substancję pokrywane jest sztucznie jedynie w 20-25%. Pozostała jego ilość jest wydobywana z gleby w wyniku wiązania biologicznego (nawozy naturalne). Dalszy wzrost produktywności będzie zależał jedynie od racjonalnego wykorzystania obornika, zwiększenia produkcji nawozów mineralnych i efektywnego wykorzystania „biologicznego” (wytwarzanego przez mikroorganizmy) związanego azotu.

Zastosowanie azotu w przemyśle

Azot wykorzystywany jest także w przemyśle. Większość zsyntetyzowanej substancji wykorzystywana jest do produkcji amoniaku, systemów wybuchowych i różnych barwników. Wykorzystywany jest także w przemyśle wytwórczym – np. przy przetwórstwie koksu. Właściwości azotu są powszechnie znane i uwzględniane przy produkcji różnych dodatków do żywności. Ciekły azot jest doskonałym czynnikiem chłodniczym i jest szeroko stosowany do zamrażania żywności. Jednak głównym sposobem jego wykorzystania jest produkcja nawozów mineralnych.

Najbardziej znane bakterie konwertujące azot znajdują się w bulwach roślin z rodziny strączkowych.

Dobroczynne właściwości azotu pomagają zwiększyć żyzność gleby: najpierw na polu wysiewa się soczewicę, groch lub fasolę, a następnie rośliny zaoruje się w ziemię. Na tym obszarze uprawia się następnie inne rośliny, które mogą wykorzystywać azot jako naturalny nawóz.

Nawozy mineralne

Jednak naturalny azot dostępny jako nawóz nie wystarczał do utrzymania plonów. Ludzie zaczęli stosować nawozy mineralne zawierające związany azot.

Technologię wiązania azotu na skalę przemysłową odkryli niemieccy naukowcy wojskowi w przededniu I wojny światowej. Następnie opracowano schemat produkcji amoniaku na potrzeby przemysłu obronnego. Po udoskonaleniu technologii naukowcy opracowali niezawodny schemat produkcji związanego azotu dla rolnictwa. Obecnie rolnicy zużywają ponad 80 milionów ton związanego azotu do uprawy roślin spożywczych.

Naturalny związany azot

Co zaskakujące, podczas burzy pewna ilość azotu atmosferycznego zostaje związana. Błyski piorunów zdarzają się znacznie częściej, niż się powszechnie uważa. W ciągu 10 sekund na świecie błyska około pięciuset błyskawic. Wyładowanie elektryczne podgrzewa otaczającą atmosferę, azot łączy się z tlenem. Zachodzi reakcja spalania azotu, w wyniku której powstają różnego rodzaju związki azotu i tlenu. Jest to całkiem niezła forma wiązania azotu, ale uwalnia tylko około 10 milionów ton rocznie.

Sztuczny azot stały

Jak napisano powyżej, głównym źródłem azotu są nawozy mineralne, które są aktywnie wykorzystywane w rolnictwie większości krajów świata. Spalanie wszelkiego rodzaju paliw kopalnych (węgla, gazu, produktów ropopochodnych) również prowadzi do wiązania wolnego azotu. Oprócz bezpośredniego spalania, praca silników i generatorów elektrycznych generuje również ciepło niezbędne do reakcji azotu z tlenem. Ogółem w ciągu roku w wyniku spalania powstaje około 20 milionów ton azotu odpowiedniego dla biosfery.

Wniosek

Jak przebiega obieg azotu w przyrodzie? Schemat tego ruchu można przedstawić wizualnie. Można na przykład wyobrazić sobie, że cała biosfera to dwa połączone ze sobą pojemniki. Duża pojemność oznacza obecność azotu w przyrodzie, głównie w hydrosferze i atmosferze. Bardzo niewiele zawiera azot, który jest częścią życia. Wąskie przejście łączy oba pojemniki, w których azot w taki czy inny sposób przechodzi w stan związany. W środowisku naturalnym właśnie takimi przejściami azot przedostaje się do organizmów żywych, a po jego śmierci staje się częścią przyrody nieożywionej.

W stosunkowo krótkim czasie działalność człowieka zaczęła wpływać na poziom N2 w środowisku naturalnym. Rola azotu w przyrodzie nie została jeszcze w pełni zbadana. Wiadomo już, że każdy system ekologiczny jest w stanie przyswoić tylko pewną ilość tej substancji. Nadmiar azotu w każdym ekosystemie prowadzi do nadmiernego wzrostu roślin i zatykania rzek i zbiorników wodnych.

Problem ten nazywa się eutrofizacją – zanieczyszczeniem glonami. Kiedy pojawia się ten problem, glony zaciemniają zbiornik wodny, wypierając konkurencyjne formy życia. Po obumarciu dużej ilości glonów cały tlen zawarty w wodzie będzie potrzebny, aby resztki roślin mogły się rozłożyć. Ryby, skorupiaki i inne zwierzęta opuszczają zbiorniki wodne ubogie w tlen. Woda staje się bagnista, a po kilku latach pokrywa się błotem. Jezioro lub staw zamienia się w martwe bagno.

Dalsze badania obiegu azotu w przyrodzie pomogą zapobiec konsekwencjom takich problemów i utrzymać równowagę między działalnością gospodarczą człowieka a naturalnymi ekosystemami.

Cyrkulacja substancji w biosferze to „podróż” określonych pierwiastków chemicznych wzdłuż łańcucha pokarmowego organizmów żywych, dzięki energii Słońca. Podczas „podróży” niektóre elementy z różnych powodów wypadają i z reguły pozostają w ziemi. Ich miejsce zajmują te same, które zwykle pochodzą z atmosfery. Jest to najbardziej uproszczony opis tego, co gwarantuje życie na planecie Ziemia. Jeśli taka podróż zostanie z jakiegoś powodu przerwana, wówczas ustanie istnienie wszystkich żywych istot.

Aby krótko opisać cykl substancji w biosferze, należy postawić kilka punktów wyjścia. Po pierwsze, z ponad dziewięćdziesięciu pierwiastków chemicznych znanych i występujących w przyrodzie, organizmy żywe potrzebują około czterdziestu. Po drugie, ilość tych substancji jest ograniczona. Po trzecie, mówimy tylko o biosferze, czyli o zawierającej życie skorupie ziemi, a zatem o interakcjach między żywymi organizmami. Po czwarte, energia przyczyniająca się do cyklu to energia pochodząca ze Słońca. Energia powstająca w wnętrznościach Ziemi w wyniku różnych reakcji nie bierze udziału w rozpatrywanym procesie. I ostatnia rzecz. Trzeba wyprzedzić punkt wyjścia tej „podróży”. Jest to warunkowe, ponieważ koło nie może mieć końca i początku, ale jest to konieczne, aby gdzieś zacząć opisywanie procesu. Zacznijmy od najniższego ogniwa łańcucha troficznego - od rozkładających lub grabarzy.

Skorupiaki, robaki, larwy, mikroorganizmy, bakterie i inni grabarze, zużywając tlen i wykorzystując energię, przetwarzają nieorganiczne pierwiastki chemiczne w substancję organiczną odpowiednią do żywienia organizmów żywych i ich dalszego przemieszczania się w łańcuchu pokarmowym. Co więcej, te już substancje organiczne są zjadane przez konsumentów lub konsumentów, do których zaliczają się nie tylko zwierzęta, ptaki, ryby i tym podobne, ale także rośliny. Ci ostatni są producentami lub producentami. Wykorzystując te składniki odżywcze i energię, wytwarzają tlen, który jest głównym pierwiastkiem umożliwiającym oddychanie wszystkim żywym istotom na planecie. Konsumenci, producenci, a nawet rozkładający się umierają. Ich szczątki wraz z zawartymi w nich substancjami organicznymi „spadają” do dyspozycji grabarzy.

I wszystko znów się powtarza. Na przykład cały tlen występujący w biosferze kończy swój obrót w ciągu 2000 lat, a dwutlenek węgla w ciągu 300. Taki cykl nazywa się zwykle cyklem biogeochemicznym.

Niektóre substancje organiczne podczas swojej „podróży” wchodzą w reakcje i interakcje z innymi substancjami. W efekcie powstają mieszaniny, które w postaci, w jakiej występują, nie mogą zostać przetworzone przez rozkładających się. Mieszanki takie pozostają „magazynowane” w ziemi. Nie wszystkie substancje organiczne, które wpadną na „stół” grabarzy, nie mogą zostać przez nich przetworzone. Nie wszystko może gnić pod wpływem bakterii. Takie niezgniłe szczątki trafiają do magazynu. Wszystko, co pozostaje w magazynie lub w rezerwie, jest usuwane z procesu i nie jest włączane do obiegu substancji w biosferze.

Zatem w biosferze cykl substancji, którego siłą napędową jest aktywność organizmów żywych, można podzielić na dwie części. Jeden – fundusz rezerwowy – jest częścią substancji niezwiązaną z działalnością organizmów żywych i na razie nie uczestniczącą w obiegu. Drugi to fundusz odnawialny. Stanowi tylko niewielką część substancji aktywnie wykorzystywanej przez organizmy żywe.

Atomy jakich podstawowych pierwiastków chemicznych są tak niezbędne do życia na Ziemi? Są to: tlen, węgiel, azot, fosfor i niektóre inne. Spośród związków głównym w obiegu jest woda.

Tlen

Cykl tlenowy w biosferze powinien rozpocząć się od procesu fotosyntezy, w wyniku którego pojawił się miliardy lat temu. Uwalniany jest przez rośliny z cząsteczek wody pod wpływem energii słonecznej. Tlen powstaje także w górnych warstwach atmosfery podczas reakcji chemicznych w parze wodnej, gdzie związki chemiczne rozkładają się pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Jest to jednak niewielkie źródło tlenu. Najważniejszym z nich jest fotosynteza. Tlen występuje także w wodzie. Choć jest go 21 razy mniej niż w atmosferze.

Powstały tlen jest wykorzystywany przez organizmy żywe do oddychania. Jest także utleniaczem różnych soli mineralnych.

A człowiek jest konsumentem tlenu. Jednak wraz z początkiem rewolucji naukowo-technicznej zużycie to wzrosło wielokrotnie, ponieważ tlen jest spalany lub wiązany podczas licznych procesów produkcji przemysłowej, transportu, w celu zaspokojenia potrzeb domowych i innych w ciągu życia człowieka. Istniejący dotychczas tzw. fundusz wymiany tlenu w atmosferze wynosił 5% jej całkowitej objętości, czyli tyle tlenu powstało w procesie fotosyntezy, ile zostało zużyte. Teraz wielkość ta staje się katastrofalnie mała. Tlen jest zużywany, że tak powiem, z rezerwy awaryjnej. Stamtąd, gdzie nie ma nikogo, kto mógłby to dodać.

Problem ten jest nieco łagodzony przez fakt, że część odpadów organicznych nie jest przetwarzana i nie ulega wpływowi bakterii gnilnych, lecz pozostaje w skałach osadowych, tworząc torf, węgiel i tym podobne minerały.

Jeśli wynikiem fotosyntezy jest tlen, to jego surowcem jest węgiel.

Azot

Cykl azotowy w biosferze wiąże się z powstawaniem tak ważnych związków organicznych, jak białka, kwasy nukleinowe, lipoproteiny, ATP, chlorofil i inne. Azot w postaci molekularnej występuje w atmosferze. Razem z organizmami żywymi stanowi to zaledwie około 2% całego azotu na Ziemi. W tej postaci może być spożywany jedynie przez bakterie i sinice. Dla reszty świata roślin azot w postaci molekularnej nie może służyć jako żywność, lecz może być przetwarzany jedynie w postaci związków nieorganicznych. Niektóre rodzaje takich związków powstają podczas burz i dostają się do wody i gleby wraz z opadami deszczu.

Najbardziej aktywnymi „recyklerami” azotu lub utrwalaczy azotu są bakterie guzkowe. Osadzają się w komórkach korzeni roślin strączkowych i przekształcają azot cząsteczkowy w związki odpowiednie dla roślin. Po ich śmierci gleba jest również wzbogacana azotem.

Bakterie gnilne rozkładają związki organiczne zawierające azot na amoniak. Część trafia do atmosfery, a reszta jest utleniana przez inne rodzaje bakterii do azotynów i azotanów. Te z kolei są dostarczane roślinom jako pożywienie i są redukowane do tlenków i azotu cząsteczkowego przez bakterie nitryfikacyjne. Które ponownie wchodzą do atmosfery.

Zatem jasne jest, że główną rolę w obiegu azotu odgrywają różne rodzaje bakterii. A jeśli zniszczysz co najmniej 20 z tych gatunków, życie na planecie ustanie.

I znowu ustalony obwód został przerwany przez człowieka. W celu zwiększenia plonów zaczął aktywnie stosować nawozy zawierające azot.

Węgiel

Obieg węgla w biosferze jest nierozerwalnie związany z cyrkulacją tlenu i azotu.

W biosferze schemat obiegu węgla opiera się na aktywności życiowej roślin zielonych i ich zdolności do przekształcania dwutlenku węgla w tlen, czyli fotosyntezie.

Węgiel oddziałuje z innymi pierwiastkami na różne sposoby i jest częścią prawie wszystkich klas związków organicznych. Na przykład jest częścią dwutlenku węgla i metanu. Rozpuszcza się w wodzie, gdzie jego zawartość jest znacznie wyższa niż w atmosferze.

Choć węgiel nie znajduje się w pierwszej dziesiątce pod względem rozpowszechnienia, w organizmach żywych stanowi od 18 do 45% suchej masy.

Oceany służą jako regulator poziomu dwutlenku węgla. Gdy tylko zwiększy się jej udział w powietrzu, woda wyrównuje pozycje, pochłaniając dwutlenek węgla. Kolejnym konsumentem węgla w oceanie są organizmy morskie, które wykorzystują go do budowy muszli.

Obieg węgla w biosferze opiera się na obecności dwutlenku węgla w atmosferze i hydrosferze, co stanowi swego rodzaju fundusz wymiany. Jest uzupełniany przez oddychanie organizmów żywych. Bakterie, grzyby i inne mikroorganizmy biorące udział w procesie rozkładu pozostałości organicznych w glebie uczestniczą również w uzupełnianiu dwutlenku węgla w atmosferze.Węgiel jest „konserwowany” w zmineralizowanych, niegnijących pozostałościach organicznych. W węglu i węglu brunatnym, torfie, łupkach bitumicznych i podobnych złożach. Ale głównym funduszem rezerw węgla są wapień i dolomit. Zawarty w nich węgiel jest „bezpiecznie ukryty” w głębinach planety i uwalniany jest jedynie podczas przesunięć tektonicznych i emisji gazów wulkanicznych podczas erupcji.

Ze względu na to, że proces oddychania z uwolnieniem węgla oraz proces fotosyntezy z jego wchłanianiem przebiega przez organizmy żywe bardzo szybko, w cyklu uczestniczy tylko niewielka część całkowitego węgla planety. Gdyby ten proces nie był wzajemny, same zakłady produkujące sushi zużyłyby cały węgiel w ciągu zaledwie 4-5 lat.

Obecnie, dzięki działalności człowieka, w świecie roślin nie brakuje dwutlenku węgla. Uzupełniany jest natychmiastowo i jednocześnie z dwóch źródeł. Poprzez spalanie tlenu podczas działalności przemysłu, produkcji i transportu, a także w związku z wykorzystaniem owych „konserw” – węgla, torfu, łupków i tak dalej – do prac tego typu działalności człowieka. Dlaczego zawartość dwutlenku węgla w atmosferze wzrosła o 25%.

Fosfor

Obieg fosforu w biosferze jest nierozerwalnie związany z syntezą substancji organicznych, takich jak ATP, DNA, RNA i innych.

Zawartość fosforu w glebie i wodzie jest bardzo niska. Jego główne rezerwy znajdują się w skałach powstałych w odległej przeszłości. Wraz z wietrzeniem tych skał rozpoczyna się cykl fosforu.

Fosfor jest pobierany przez rośliny wyłącznie w postaci jonów kwasu ortofosforowego. Jest to głównie produkt obróbki szczątków organicznych przez grabarzy. Ale jeśli gleby mają wysoki współczynnik zasadowy lub kwaśny, wówczas fosforany praktycznie się w nich nie rozpuszczają.

Fosfor jest doskonałą pożywką dla różnego rodzaju bakterii. Szczególnie niebiesko-zielone algi, które rozwijają się szybko przy zwiększonej zawartości fosforu.

Jednakże większość fosforu jest odprowadzana wraz z rzekami i innymi wodami do oceanu. Tam jest aktywnie zjadany przez fitoplankton, a wraz z nim ptaki morskie i inne gatunki zwierząt. Następnie fosfor opada na dno oceanu i tworzy skały osadowe. Oznacza to, że wraca na ziemię, tylko pod warstwą wody morskiej.

Jak widać cykl fosforu jest specyficzny. Trudno to nazwać obwodem, bo nie jest zamknięty.

Siarka

W biosferze cykl siarkowy jest niezbędny do powstawania aminokwasów. Tworzy trójwymiarową strukturę białek. Obejmuje bakterie i organizmy, które zużywają tlen do syntezy energii. Utleniają siarkę do siarczanów, a jednokomórkowe przedjądrowe organizmy żywe redukują siarczany do siarkowodoru. Oprócz nich całe grupy bakterii siarkowych utleniają siarkowodór do siarki, a następnie do siarczanów. Rośliny mogą pobierać z gleby jedynie jon siarki - SO 2-4, dlatego niektóre mikroorganizmy są czynnikami utleniającymi, inne redukującymi.

Miejscami gromadzenia się siarki i jej pochodnych w biosferze są ocean i atmosfera. Siarka przedostaje się do atmosfery wraz z wydzielaniem się siarkowodoru z wody. Ponadto siarka przedostaje się do atmosfery w postaci dwutlenku podczas spalania paliw kopalnych podczas produkcji i do celów domowych. Przede wszystkim węgiel. Tam utlenia się i zamieniając się w wodzie deszczowej w kwas siarkowy, opada wraz z nim na ziemię. Sam kwaśny deszcz powoduje znaczne szkody dla całego świata roślin i zwierząt, a dodatkowo wraz z wodami burzowymi i roztopowymi przedostaje się do rzek. Rzeki niosą do oceanu jony siarczanu siarki.

Siarka zawarta jest także w skałach w postaci siarczków oraz w postaci gazowej – siarkowodoru i dwutlenku siarki. Na dnie mórz występują złoża rodzimej siarki. Ale to wszystko jest „rezerwą”.

Woda

Nie ma bardziej rozpowszechnionej substancji w biosferze. Jego zasoby występują głównie w słono-gorzkiej postaci wód mórz i oceanów - około 97%. Reszta to woda słodka, lodowce oraz wody podziemne i gruntowe.

Obieg wody w biosferze tradycyjnie rozpoczyna się od jej odparowania z powierzchni zbiorników wodnych i liści roślin i wynosi około 500 000 metrów sześciennych. km. Wraca w postaci opadów, które spadają bezpośrednio do zbiorników wodnych lub przenikają przez glebę i wody gruntowe.

Rola wody w biosferze i historia jej ewolucji jest taka, że całe życie od chwili jej pojawienia się było całkowicie zależne od wody. W biosferze woda wielokrotnie przechodziła cykle rozkładu i narodzin poprzez organizmy żywe.

Obieg wody jest w dużej mierze procesem fizycznym. Jednak świat zwierząt, a zwłaszcza roślin, odgrywa w tym ważną rolę. Parowanie wody z powierzchni liści drzew jest takie, że np. z hektara lasu dziennie odparowuje do 50 ton wody.

Jeśli parowanie wody z powierzchni zbiorników jest naturalne dla jej obiegu, to dla kontynentów z ich strefami leśnymi taki proces jest jedynym i głównym sposobem na jej zachowanie. Tutaj cyrkulacja zachodzi jak w obiegu zamkniętym. Opady powstają w wyniku parowania z gleby i powierzchni roślin.

Podczas fotosyntezy rośliny wykorzystują wodór zawarty w cząsteczce wody do stworzenia nowego związku organicznego i uwolnienia tlenu. I odwrotnie, w procesie oddychania organizmy żywe przechodzą proces utleniania i ponownie powstaje woda.

Opisując obieg różnego rodzaju substancji chemicznych, mamy do czynienia z bardziej aktywnym wpływem człowieka na te procesy. Obecnie przyroda, ze względu na swoją wielomiliardową historię przetrwania, radzi sobie z regulacją i przywracaniem zachwianej równowagi. Ale pierwsze objawy „choroby” już są. I to jest „efekt cieplarniany”. Kiedy dwie energie: słoneczna i odbita przez Ziemię, nie chronią organizmów żywych, a wręcz przeciwnie, wzmacniają się nawzajem. W rezultacie wzrasta temperatura otoczenia. Jakie mogą być konsekwencje takiego wzrostu, poza przyspieszonym topnieniem lodowców i parowaniem wody z powierzchni oceanów, lądów i roślin?

Wideo - Cykl substancji w biosferze

Ryż. Obieg azotu w biosferze

Cykl azotowy obejmuje wszystkie obszary biosfery. Jego wchłanianie przez rośliny jest ograniczone, ponieważ pochłaniają azot tylko w postaci łączenia go z wodorem i tlenem (N0 3- i NH 4). I to pomimo faktu, że zasoby azotu w atmosferze są niewyczerpane (78% jego objętości). Rozkładacze(destruktory) lub raczej bakterie glebowe, stopniowo rozkładają substancje białkowe martwych organizmów i przekształcają je w związki amonowe, azotany i azotyny. Część azotanów przedostaje się podczas cyklu do wód gruntowych i zanieczyszcza je.

Azot ponownie powraca do atmosfery gazy wydzielające się podczas rozpadu. To prawda, część utlenia się w powietrzu - podczas burz - i przedostaje się do gleby wraz z wodą deszczową, ale w ten sposób jest wiązany 10 razy mniej niż w przypadku bakterii.

Ludzka interwencja Cykl azotowy wygląda następująco:

Na palenie paliw kopalnych Do atmosfery uwalniane są duże ilości tlenku azotu (NO). Tlenek azotu łączy się następnie z tlenem w atmosferze, tworząc dwutlenek azotu (NO2), który może powstawać w reakcji z parą wodną kwas azotowy (HNO 3 ) . Ten kwas staje się składnik kwaśnych opadów.

stosowanie nawozów prowadzi do uwolnienia do atmosfery” gaz cieplarniany» podtlenek azotu (N 2 O)

wzrost ilości azotanów i jonów amonowych w ekosystemach wodnych, gdy spływ nawozów z pól. Nadmiar składników odżywczych prowadzi do szybkiego wzrost glonów, podczas którego rozkładu zużywany jest rozpuszczony tlen, co prowadzi do masy zaraza ryb.

Cykle biochemiczne fosforu i siarki są znacznie mniej doskonałe, ponieważ Większość z nich znajduje się w funduszu rezerwowym skorupy ziemskiej, w rezerwie „niedostępnej”.

Cykl siarki i fosforu jest typowy osadowy cykl biogeochemiczny. Takie cykle łatwo ulega uszkodzeniu pod wpływem różnego rodzaju wpływów a część wymienionego materiału opuszcza cykl. Powrót do obiegu może nastąpić jedynie w wyniku procesów geologicznych lub poprzez wydobycie składników biofilnych przez materię żywą.

Cykl fosforu

Ryż. Obieg fosforu w biosferze

Fosfor, głównie w postaci jonów fosforanowych (PO 3- i HPO 4 2-), jest ważnym składnik odżywczy zarówno dla roślin, jak i zwierząt. Jest częścią cząsteczek DNA, Niosąc Informacja genetyczna; Cząsteczki ATP i ADP, które przechowują to, czego potrzebują organizmy energia chemiczna, stosowany w oddychaniu komórkowym; Cząsteczki tłuszcz, formowanie błony komórkowe w komórkach roślinnych i zwierzęcych; a także substancje zawarte w składzie kości i zęby.

Fosfor występuje w skały powstały w minionych epokach geologicznych. Może wejść w cykl biogeochemiczny, jeśli skały te wyniosą się z głębin skorupy ziemskiej na powierzchnię lądu, do strefy wietrzenia. Procesy erozji jest on wyprowadzany w morzu w postaci dobrze znanego minerału - apatyt.

Ogólny cykl fosforu można podzielić na dwie części - woda i ziemia.

W ekosystemach lądowych fosfor jest uwalniany powoli zniszczenie(Lub zwietrzenie) rudy fosforanowe, jest rozpuszczany przez wilgoć gleby i wchłaniany przez korzenie roślin.

Zwierzęta otrzymują potrzebny fosfor, jedzenie rośliny lub inne zwierzęta roślinożerne. Znaczna część tego fosforu występuje w formie odchody zwierzęce i produkty rozkładu martwe zwierzęta i rośliny są zwracane gleba, z erozją - w rzeki, a na koniec, na dno oceanu w postaci nierozpuszczalnych fosforanowych skał osadowych.

Fosfor jest wchłaniany w ekosystemach wodnych fitoplankton i jest przenoszony wzdłuż łańcucha troficznego do konsumentów trzeciego rzędu - ptaki morskie. Ich odchody ( guano) wpaść ponownie morze i wejść w cykl, lub gromadzić się na brzegu I wypłukane do morza. W ten sposób część fosforu powraca na powierzchnię lądu w postaci guano – masy organicznej wzbogaconej w fosfor w odchodach ptaków rybożernych (pelikany, głuptaki, kormorany itp.). Jednak nieporównywalnie większa ilość fosforanów jest corocznie wypłukiwana z powierzchni lądu do oceanów w wyniku procesów naturalnych i działalności antropogenicznej.

Ludzka interwencja w cyklu fosforu sprowadza się głównie do dwóch opcji:

produkcja duże ilości rudy fosforanowe do produkcji nawozów mineralnych i detergentów;

wzrost nadmiaru jonów fosforanowych w ekosystemach wodnych kiedy je uderzysz zanieczyszczone ścieki z gospodarstw hodowlanych, zmyte z pól nawozy fosforowe oraz przetworzone i nieoczyszczone odpady komunalne drenuje. Nadmiar tych pierwiastków sprzyja „wybuchowemu” wzrostowi sinic i innych roślin wodnych, co zaburza równowagę życiową w ekosystemach wodnych.

Cykl siarkowy

Sera posiada także główny fundusz rezerwowy osady I gleba, ale w przeciwieństwie do fosforu ma fundusz rezerwowy i jest atmosfera.

W funduszu giełdowym główną rolę pełni mikroorganizmy. Jeden z nich środki redukujące, Inny - utleniacze.

W skałach siarka występuje w postaci siarczków (FeS2 itp.), w rozwiązania– w postaci jonu (SO 4 -2), w fazie gazowej– w postaci siarkowodoru (H2S) lub dwutlenku siarki (SO2). Siarka gromadzi się w niektórych organizmach w najczystszej postaci(S2), a kiedy wymierają, na dnie mórz tworzą się złoża rodzimej siarki.

W środowisku morskim jon siarczanowy zajmuje drugie miejsce po chlorze i jest główną dostępną formą siarki, która jest redukowane przez autotrofy i wchodzi w skład aminokwasów.

Cykl siarkowy, chociaż organizmy wymagają tego w małych ilościach, ma kluczowe znaczenie w całym procesie produkcji i rozkładu.

W ekosystemach lądowych siarka powraca do gleba Na wymieranie roślin, zostaje schwytany mikroorganizmy, Który przywrócić go do H2S. Inne organizmy i ekspozycja na sam tlen powodują utlenianie tych produktów. Utworzony siarczany rozpuścić i wchłonąć rośliny z roztworów porów gleby - tak trwa cykl.

Cykl siarki, a także cykl azotu, mogą zostać zakłócone ludzka interwencja . Wynika to przede wszystkim z palenie paliw kopalnych, a zwłaszcza węgiel. Dwutlenek siarki (SO2) zakłóca procesy fotosyntezy i prowadzi do śmierć roślinności.

Kiedy cykle biogeochemiczne zostają zakłócone przez człowieka, obieg substancji staje się niemożliwy cykliczny, A acykliczny. Ochrona zasobów naturalnych powinna być w szczególności ukierunkowana na przekształcenie acyklicznych procesów biogeochemicznych w cykliczne.